成分与组织对钢的冲击腐蚀磨损特性与机制的影响及其机理研究

论文摘要

材料的磨损是机械产品中常见的失效形式，每年给社会带来巨大的经济损失。在冶金矿山行业湿式磨矿机中，耐磨材料不仅受到浆料的腐蚀，还受到物料的冲击和磨损，这三者的交互作用大大加速了耐磨材料的磨损，降低了材料的寿命。因此，研究开发新型的耐冲击腐蚀磨损材料，提高工件在冲击、腐蚀和磨损交互作用下的服役寿命具有现实意义。 新型耐磨材料的开发依赖于材料磨损特性和机制的研究。只有明确了不同条件下材料的磨损特性和磨损机制，才能针对实际情况合理选择耐磨材料、制定正确的工艺过程，以及指导设计开发新型耐磨材料。而材料性能、寿命的好坏取决于其合金设计和工艺设计的优劣。 本文采用MLDF-10冲击腐蚀磨损试验机，研究了高锰钢、中碳低合金钢、CrNiMo、CrMnMo低碳高合金钢在冲击腐蚀磨损条件下的磨损特性、机制，探讨了冲击功、冲击角、腐蚀介质pH值对冲击腐蚀磨损特性和机制的影响；以光学金相分析、扫描电镜分析等研究方法为手段，研究了上述合金冲击腐蚀磨损机制形成的微观机理：并采用有限元分析方法，利用ANSYS软件，实现了在虚拟环境下对冲击过程的研究和数字仿真，研究了冲击磨料磨损冲击过程中试样的应力分布状态。 主要研究结果如下： （1） 强冲击弱腐蚀的冲击腐蚀磨损条件下，随冲击功的增加，高锰钢耐磨性明显下降；失效机制由挤出棱沿根断裂及轻微浅层剥落和腐蚀磨损，向浅层的疲劳剥落和严重腐蚀磨损及深层加工硬化导致的硬化层大块剥落和严重腐蚀磨损转变；在弱冲击强腐蚀的冲击腐蚀磨损条件下，随冲击功增加，其冲击腐蚀磨损机制由微观犁皱和二次显微切削变为以挤出棱的低周疲劳断裂为主，兼有轻微的腐蚀磨损。 （2） 在冲击腐蚀磨损条件下，冲击角减小，高锰钢冲击腐蚀磨损失效机制由浅层疲劳剥落和腐蚀磨损向深层剥落和严重腐蚀磨损转变；冲击腐蚀磨损特性曲线变得陡峭，稳定磨损期缩短；裂纹起源倾向于选择表面腐蚀坑底部应力集中区。 （3） 中碳低合金钢在冲击腐蚀磨损条件下，冲击功增加，失效机制由以浅层剥落为主向以深层剥落为主转变。其剥落裂纹均起源于表面，在亚表层中扩

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 对磨损的一般认识
• 1.1.1 磨损的概念
• 1.1.2 磨损形式、磨损机制与微观机理
• 1.1.3 磨损研究的复杂性
• 1.2 对磨损机理的描述
• 1.2.1 冲击磨损
• 1.2.2 剥层磨损
• 1.2.3 磨料磨损
• 1.2.4 腐蚀磨损
• 1.3 磨损的研究现状和进展
• 1.3.1 早期的磨损理论
• 1.3.2 磨损研究现状与进展
• 1.4 冲击腐蚀磨损条件下使用的耐磨钢及其合金化
• 1.4.1 高锰钢
• 1.4.2 贝氏体基体型耐磨钢
• 1.4.3 低合金马氏体耐磨铸钢
• 1.4.4 合金化问题
• 1.5 本文研究工作的意义及主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 试验方法和装置
• 2.1 试验条件和参数
• 2.2 冲击腐蚀磨损试验装置
• 2.3 试验方法
• 2.4 实验室模拟工况下磨损试验结果评定
• 参考文献
• 第三章 高锰钢冲击腐蚀磨损研究
• 3.0 引言
• 3.1 强冲击弱腐蚀条件下冲击功对高锰钢冲击腐蚀磨损的影响
• 3.1.1 试验材料及方法
• 3.1.2 试验结果
• 3.1.2.1 不同冲击功下高锰钢冲击腐蚀磨损特性
• 3.1.2.2 不同冲击功下高锰钢冲击腐蚀磨损磨面形貌
• 3.1.2.3 不同冲击功下磨面下亚表层组织
• 3.1.3 分析与讨论
• 3.1.3.1 冲击功对高锰钢冲击腐蚀磨损机理的影响
• 3.1.3.2 冲击功对高锰钢冲击腐蚀磨损特性的影响
• 3.1.4 结论
• 3.2 强腐蚀弱冲击条件下冲击功对高锰钢冲击腐蚀磨损的影响
• 3.2.1 试验材料及方法
• 3.2.2 试验结果与分析
• 3.2.2.1 冲击功对高锰钢冲击腐蚀磨损特性的影响
• 3.2.2.2 强腐蚀弱冲击条件下高锰钢冲击腐蚀磨损机理
• 3.2.3 结论
• 3.3 不同应力状态下高锰钢冲击腐蚀磨损特性及机理研究
• 3.3.1 试验材料和方法
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.2.1 不同应力状态下高锰钢冲击腐蚀磨损特性
• 3.3.2.2 不同应力状态下高锰钢冲击腐蚀磨损机制
• 3.3.2.3 不同应力状态下高锰钢冲击腐蚀磨损机理讨论
• 3.3.2.4 对于冲击腐蚀磨损特性的讨论
• 3.3.3 结论
• 3.4 高锰钢冲击腐蚀磨损动态过程的有限元分析
• 3.4.1 任务描述及模型建立
• 3.4.2 瞬态分析结果与讨论
• 3.4.2.1 低冲击载荷下的瞬态分析
• 3.4.2.2 高冲击载荷下的瞬态分析
• 3.4.2.3 能量分析
• 3.4.2.4 模拟计算下的磨损失重
• 3.4.3 结论
• 3.5 本章结论
• 参考文献
• 第四章 中碳低合金钢冲击腐蚀磨损研究
• 4.0 引言
• 4.1 冲击功对中碳低合金钢冲击腐蚀磨损的影响
• 4.1.1 试验材料及方法
• 4.1.2 试验结果与分析
• 4.1.2.1 中碳低合金钢室温显微组织
• 4.1.2.2 中碳低合金钢的力学性能测试
• 4.1.2.3 冲击功对中碳低合金钢冲击腐蚀磨损特性的影响
• 4.1.2.4 冲击功对中碳低合金钢冲击腐蚀磨损机制的影响
• 4.1.3 讨论
• 4.1.3.1 对中碳低合金钢冲击腐蚀磨损机理的讨论
• 4.1.3.2 对中碳低合金钢冲击腐蚀磨损特性的讨论
• 4.1.4 结论
• 4.2.中碳低合金钢在不同环境下冲击腐蚀磨损研究
• 4.2.1 在铁矿石酸性矿浆中中碳低合金钢的冲击腐蚀磨损行为
• 4.2.2 在石英砂酸性介质中中碳低合金钢的冲击腐蚀磨损行为
• 4.2.3 在稀硫酸溶液中中碳低合金钢的冲击腐蚀磨损行为
• 4.2.4 结论
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 CrNiMo系马氏体钢冲击腐蚀磨损研究
• 5.0 引言
• 5.1.冲击功对CrNiMo系马氏体钢冲击腐蚀磨损的影响
• 5.1.1 强冲击弱腐蚀条件下冲击功对CrNiMo钢冲击腐蚀磨损的影响
• 5.1.1.1 试验材料及方法
• 5.1.1.2 试验结果与讨论
• 5.1.1.2.1 试验数据与分析
• 5.1.1.2.2 冲击功对CrNiMo钢冲击腐蚀磨损机理的影响
• 5.1.1.2.3 不同冲击功下时间对CrNiMo钢冲击腐蚀磨损机理的影响
• 5.1.1.3 结论
• 5.1.2 强冲击弱腐蚀条件下与高锰钢、中碳合金钢比较
• 5.1.2.1 试验材料及方法
• 5.1.2.2 结果与讨论
• 5.1.2.2.1 三种钢的耐冲击腐蚀磨损性能
• 5.1.2.2.2 三种钢的冲击腐蚀磨损机理
• 5.1.2.3 结论
• 5.1.3 强腐蚀弱冲击条件下冲击功对CrNiMo钢冲击腐蚀磨损的影响
• 5.1.3.1 冲击功对CrNiMo低碳高合金钢冲击腐蚀磨损特性的影响
• 5.1.3.2 冲击腐蚀磨损机理分析
• 5.1.3.3 结论
• 5.1.4 强腐蚀弱冲击条件下CrNiMo钢与高锰钢比较
• 5.1.4.1 试验材料及方法
• 5.1.4.2 试验结果与讨论
• 5.1.4.3 结论
• 5.2 含碳量对CrNiMo系马氏体钢冲击腐蚀磨损的影响
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.2.2.1 含碳量对CrNiMo合金组织的影响
• 5.2.2.2 含碳量对CrNiMo钢冲击腐蚀磨损特性的影响
• 5.2.2.3 CrNiMo钢冲击腐蚀磨损表面形貌与亚表层组织观察
• 5.2.3 结论
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 CrMnMo合金的冲击腐蚀磨损研究
• 6.1 冲击腐蚀磨损条件下的CrMnMo合金设计
• 6.1.1 CrMnMo合金设计思想
• 6.1.2 CrMnMo的合金设计
• 6.1.2.1 CrMnMo合金成分设计
• 6.1.2.2 CrMnMo合金组织设计
• 6.1.2.3 CrMnMo合金热处理工艺设计
• 6.1.3 CrMnMo合金组织及力学性能
• 6.1.3.1 试验材料
• 6.1.3.2 试样的制备
• 6.1.3.3 CrMnMo合金组织分析
• 6.1.3.4 CrMnMo合金力学性能测试
• 6.1.3.5 试验结果及分析
• 6.1.3.5.1 试验结果
• 6.1.3.5.2 讨论
• 6.1.4 结论
• 6.2 强冲击弱腐蚀条件下CrMnMo合金的冲击腐蚀磨损研究
• 6.2.1 实验方法
• 6.2.1.1 试验材料及热处理工艺
• 6.2.1.2 力学性能试验
• 6.2.1.3 均匀腐蚀性能测试
• 6.2.1.4 冲击腐蚀磨损试验
• 6.2.1.5 组织分析
• 6.2.2 实验结果与分析
• 6.2.2.1 强冲击弱腐蚀条件下CrMnMo合金的冲击腐蚀磨损特性
• 6.2.2.2 强冲击弱腐蚀条件下CrMnMo合金的冲击腐蚀磨损机理探讨
• 6.2.3 结论
• 6.3 强腐蚀弱冲击条件下CrMnMo钢冲击腐蚀磨损研究
• 6.3.1 实验材料及方法
• 6.3.2 结果与讨论
• 6.3.2.1 强腐蚀弱冲击条件下CrMnMo钢冲击腐蚀磨损特性
• 6.3.2.2 强腐蚀弱冲击条件下CrMnMo钢冲击腐蚀磨损机理
• 6.3.3 结论
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结及展望
• Ⅰ．研究工作内容概要
• Ⅱ．主要研究结论
• Ⅲ．创新之处
• Ⅳ．展望
• 攻读博士学位期间发表论文清单
• 致谢